حفره ارتعاشی کوچک نور مادون قرمز میانی را در دمای اتاق می بیند - دنیای فیزیک

حفره ارتعاشی کوچک نور مادون قرمز میانی را در دمای اتاق می بیند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 2 اکتبر 2023، 10:26 صبح

نموداری که نشان می دهد چگونه محققان می توانند نور کم انرژی MIR را به نور مرئی تبدیل کنند
درخشندگی با کمک لرزش MIR (MIRVAL). (با احترام: دکتر روهیت چیکارادی، استادیار فیزیک در دانشگاه بیرمنگام)

یک روش جدید و کارآمد برای «دیدن» ارتعاشات در مولکول‌ها می‌تواند در سنجش بی‌درنگ گاز، تصویربرداری پزشکی، بررسی‌های نجومی و حتی محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشد. این ارتعاشات مولکولی در محدوده مادون قرمز میانی (MIR) طیف الکترومغناطیسی اتفاق می‌افتد و روش استاندارد مشاهده آنها مستلزم خنک شدن آشکارسازها برای به حداقل رساندن نویز حرارتی ناشی از ارتعاشات با فرکانس بالا تصادفی پیوندهای اتمی است. با این حال، تیمی از محققان از دانشگاه‌های بیرمنگام و کمبریج، بریتانیا، اکنون با تبدیل فوتون‌های MIR کم‌انرژی به فوتون‌های مرئی پرانرژی، راهی برای رفع این نیاز پیدا کرده‌اند.

دانشمند نانویی کمبریج توضیح می‌دهد: «توانایی جدید ما برای دیدن ارتعاشات در مولکول‌های منفرد در دمای اتاق، که قبلاً امکان‌پذیر نبود، برجسته است، به‌ویژه از آنجایی که این ارتعاش‌ها معمولاً توسط نویز حرارتی پنهان می‌شوند.» جرمی بامبرگ، که تلاش تحقیق را رهبری کرد. مطابق با روهیت چیکارادی، یک فیزیکدان در بیرمنگام و اولین نویسنده a طبیعت فوتونیک در مقاله‌ای در مورد این فناوری، روش جدید می‌تواند بر تعاملات بین لیپیدها و پروتئین‌ها در سلول‌ها، که برای درک عملکردهای سلولی که به ارتعاشات مولکولی در محدوده MIR بستگی دارد، روشن کند. چیکارادی می گوید: «نتایج ما راه را برای درک چنین دینامیک مولکولی هموار می کند.

میروال

در روش جدید که به عنوان لومینسانس با کمک ارتعاش فروسرخ میانی (MIRVAL) شناخته می‌شود، محققان مولکول‌هایی را که نور را در محدوده مرئی ساطع می‌کنند، در یک ساختار فوتونی به نام حفره نانوپلاسمونیک که در هر دو محدوده طول موج مرئی و MIR تشدید می‌کند، جمع‌آوری کردند. چیکارادی می گوید که این حفره نانوپلاسمونیک کلید موفقیت این روش است دنیای فیزیک. این حفره‌های بسیار کوچک به دام انداختن نور، که توسط نقص‌های تک اتمی طلا در عیوب فلزی ایجاد شده‌اند، به ما اجازه می‌دهند نور مرئی را در حجم‌های بسیار کوچک کمتر از 1 نانومتر محدود کنیم.3 و نور MIR تا مقیاس یک مولکول منفرد، "او توضیح می دهد.

سپس تیم این حفره را به گونه‌ای مهندسی کرد که حالت‌های ارتعاشی مولکول‌ها (که نور MIR را جذب می‌کنند) و حالت‌های الکترونیکی آنها (که نور مرئی را جذب می‌کنند) قادر به تعامل هستند. بامبرگ خاطرنشان می‌کند: «وقتی سیستم ما در معرض نور مرئی با انرژی‌های فوتونی در زیر نوار الکترونیکی جذب نور قرار می‌گیرد، ما هیچ گونه لومینسانسی نمی‌بینیم». با این حال، وقتی نور MIR را نیز معرفی می‌کنیم، ترکیب نور مرئی و MIR برای تحریک مشترک مولکول‌ها که منجر به لومینسانس مرئی می‌شود، کافی است.

به این ترتیب، محققان می توانند نور کم انرژی MIR را به نور مرئی تبدیل کنند و به آنها اجازه می دهد نور MIR را با استفاده از دوربین های سیلیکونی پیشرفته مانند دوربین های موجود در گوشی های هوشمند تشخیص دهند.

سه ترازو طول بسیار متفاوت را کنار هم قرار می دهد

یکی از جنبه های غیرمعمول این تکنیک این است که فیزیک سه مقیاس طول مختلف را در یک پلت فرم واحد ترکیب می کند. چیکارادی می‌گوید: «اینها طول موج‌های مرئی (از صدها نانومتر)، ارتعاشات مولکولی (کمتر از یک نانومتر) و محدوده MIR (ده هزار نانومتر) هستند.

او اضافه می‌کند که از نظر کاربردی، این تکنیک باید ثبت «اثر انگشت» ارتعاشی مولکول‌ها در فرکانس‌های MIR را ساده‌تر کند. Chikkaraddy می‌گوید: «از طریق کار بیشتر، این روش جدید نه تنها می‌تواند راه خود را به دستگاه‌های عملی بیابد که آینده فناوری‌های MIR را شکل می‌دهند، بلکه توانایی دستکاری منسجم برهم‌کنش پیچیده اتم‌ها و پیوندها در سیستم‌های کوانتومی مولکولی را نیز باز می‌کنند.»

محققان بیرمنگام-کمبریج می گویند که اکنون مایلند تکنیک خود را در سیستم های پیچیده تر، از جمله موجودات بیولوژیکی مانند غشاهای لیپیدی به کار ببرند. چیکارادی می گوید: «این به ما امکان می دهد دینامیک مولکولی حیات را در این پنجره طیف سنجی جدید مشاهده کنیم.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک